Perché i pianeti del sistema solare diventano rock-gas-ghiaccio invece di rock-ice-gas quando si allontanano dal sole?

Jan 03 2021

Il sole e il vento solare sembrano fare un buon lavoro nel frazionare i materiali più leggeri nel sistema solare esterno e lasciare i materiali più pesanti nel sistema solare interno. Quindi ci ritroviamo con pianeti rocciosi / metallici nel sistema solare interno e giganti gassosi e giganti di ghiaccio nel sistema solare esterno. Ma perché i giganti gassosi (Giove e Saturno composti principalmente da idrogeno ed elio - i materiali più leggeri) sono più vicini al sole rispetto ai giganti di ghiaccio (Urano e Nettuno composti da acqua, ammoniaca, metano, ecc.)?

Risposte

7 AtmosphericPrisonEscape Jan 05 2021 at 07:03

Preludio

È ora generalmente accettato nella comunità di formazione dei pianeti che i pianeti si formino come un prodotto secondario del processo di formazione stellare nei cosiddetti dischi protoplanetari.
I dischi protoplanetari hanno masse iniziali da poche a decine di percento delle loro masse ospiti stellari, sono relativamente freddi (T <150K in circa il 95% o più della loro massa, che è al di fuori della linea di ghiaccio dell'acqua per un modello MMSN standard) e sono quindi per lo più rilevato nell'infrarosso. La componente infrarossa irradiante è la componente "polverosa" (prima rilevazione pubblicata e conferma tramite il satellite IRAS nel 1984-1985) che costituisce circa l'1% della massa, mentre l'altro 99% è gas H / He.

Questi dischi sono dischi di accrescimento, cioè perdono momento angolare attraverso vari processi, che porta alla caduta di massa nella loro stella ospite. La polvere si deposita nel piano medio. Per il caso di accrescimento turbolento, polvere e gas saranno ben miscelati e accresceranno in modo relativamente uniforme nella stella, mentre nel caso di accrescimento guidato dal vento del disco, H / He negli strati superiori del disco scorre sopra il piano medio e fornisce il tasso di accrescimento. I tassi di accrescimento del disco possono essere eccessivi per quello che la stella può effettivamente accumulare e la massa in eccesso viene espulsa verticalmente in getti che possono esistere per tutta la vita del disco, i loro tassi di decrezione di massa corrispondono tipicamente all'1-50% del tasso di accrescimento del disco.
Cito la linea di ghiaccio dell'acqua esclusivamente come punto di riferimento, poiché il suo esatto effetto sulla fisica della formazione dei pianeti è molto dibattuto, attualmente non può essere osservato, e le linee di ghiaccio in molte altre molecole come $\rm CO, CO_2, N_2,...$ potrebbe anche interpretare ruoli.

Formazione del pianeta

Il nostro sistema solare ha avuto origine molto probabilmente in uno di quei dischi protoplanetari. Non possiamo seguire il processo di formazione per tutta la durata del disco, poiché questo richiede tra 1 e 20 Myears (valore medio 3-5 Myrs, a seconda del sondaggio ) e quindi, come spesso in astrofisica, ci affidiamo a istantanee e statistiche di esopianeti per provare a risolvere il problema insieme la fisica.

Il 50% di tutti i sistemi esoplanetari ospita diverse super-terre rocciose nei raggi interni alla linea di ghiaccio dell'acqua. Il 6-10% di tutte le stelle possiede pianeti giganti di gas freddo (pianeti giganti su assi semiportanti> 0,5 UA) e lo 0,5-1% possiede giganti di gas caldi (pianeti giganti su assi semi-maggiori <0,1 UA). Mentre da questo il nostro sistema solare sembra avere una massa insolitamente bassa nella zona del pianeta terrestre, tuttavia la fisica sembra preferire costruire pianeti rocciosi all'interno della linea di ghiaccio. Questi processi devono avvenire nella fase del disco protoplanetario e possibilmente subito dopo la rimozione del gas (<100Myrs, è scarsamente vincolata quale frazione della sua massa finale Terra possedeva alla dispersione del disco).

Si pensa anche che i pianeti rocciosi si formino oltre la linea di ghiaccio dell'acqua. Tuttavia, in quelle regioni del disco protoplanetario, il serbatoio di massa è enorme e i pianeti rocciosi possono raggiungere l'accumulo di gas in fugaprima che il disco genitore si disperda. Raggiungere l'accrescimento di gas in fuga consiste in due fasi: in primo luogo, dopo che il pianeta roccioso di massa multi-terrestre si è formato, acquisisce un'atmosfera che è collegata idrostaticamente al disco attraverso la sua stessa gravitazione. Questa atmosfera si raffredda lentamente tramite il raffreddamento Kelvin-Helmholtz. La contrazione consente a più massa di fluire nel dominio planetario, formando un'atmosfera massiccia. Se questa atmosfera raggiunge una massa abbastanza importante da permettere all'auto-gravità di aiutare ulteriormente la contrazione, il pianeta si accresce più si raffredda e più si raffredda più si accresce, quindi si raggiunge un accrescimento incontrollato.

L'architettura del sistema solare

Con tutto ciò, possiamo formulare la spiegazione standard per l'architettura del sistema solare:

Giove e Saturno sono giganti gassosi freddi standard che hanno subito una fase di rapido assemblaggio del nucleo e successivo accrescimento di gas in fuga. Urano e Nettuno sono cresciuti molto in regioni a bassa densità di gas del disco (o piccole popolazioni di polvere, aumentando l' assemblaggio del nucleo e il tempo di raffreddamento ) e quindi sono rimasti bloccati nella fase di accrescimento del gas idrostatico fino a quando il disco non si è disperso. Il "ghiaccio" nei giganti di ghiaccio si riferisce quindi alla componente solida che costituisce il 60-80% della loro massa, e non che hanno perso l'accrescimento incontrollato, il che renderebbe un nome più chiaro.

Ora l'altra domanda è, perché i pianeti a raggi piccoli sembravano aver eluso l'accrescimento di gas in fuga, nel nostro sistema solare e almeno il 50% dei sistemi esoplanetari. Un meccanismo candidato è il " riciclo del gas ", cioè il reintegro dell'entropia nelle atmosfere protoplanetarie che ne impedisce la contrazione. Questo è possibile vicino alla stella perché il gas è molto denso, sostituendo il raffreddamento con l'avvezione come meccanismo di trasporto dell'entropia dominante.

Riassumendo

I tratti generali dell'architettura del sistema solare possono essere compresi in termini di meccanismi fisici che hanno dimostrato di funzionare nelle simulazioni. Tuttavia, quando si applicano quegli stessi meccanismi per formare popolazioni sintetiche di pianeti, quelle popolazioni sintetiche sono solitamente incoerenti con quelle osservate. Questo è un lavoro in corso e necessita di missioni future presso i giganti del ghiaccio per misurare la loro abbondanza dettagliata di elementi pesanti e utilizzare quest'ultimo per distinguere tra scenari di formazione concorrenti, di cui ho presentato solo uno.

La fisica qui presentata è quindi molto diversa da una semplice immagine di "elementi pesanti che affondano nel vento solare", che per quanto ne so, non è mai stata considerata come candidata per un modello di formazione di pianeti. Solo Laplace nel XVIII secolo considerato un tuo modello dal suono simile, di un'atmosfera solare estesa che si rompe centrifugamente in anelli per formare i pianeti. Con il mio preludio come sopra, questo modello è ora noto per essere errato tuttavia.